趙海玥,王雅晳,施依璐,段莎莎,趙捷,張璐,白天昊,張小杉

(1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學,呼和浩特 010110;2.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學附屬醫(yī)院超聲科,呼和浩特 010050)

類風濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis,RA)是一種自身免疫性疾病,以侵蝕關(guān)節(jié)為主要臨床表現(xiàn),可伴有關(guān)節(jié)外表現(xiàn),病因尚不明確。在炎性細胞因子及新生血管共同作用下,滑膜水腫增厚,血管翳形成,進而引起骨質(zhì)破壞,關(guān)節(jié)畸形,患者生活質(zhì)量下降[1]。因此,盡早檢出滑膜血管翳是改善RA 預后的關(guān)鍵[2]。隨著超聲探頭工藝和圖像處理技術(shù)的進步,促進了診斷技術(shù)的不斷發(fā)展及診斷模式的多樣化。RA 動物模型能很好地再現(xiàn)疾病發(fā)生發(fā)展的病理生理過程,可供研究人員尋求潛在的治療靶點,為臨床治療RA 奠定基礎(chǔ)[3]。目前,RA 動物實驗中常用的超聲技術(shù)包括灰階超聲、多普勒超聲、超聲造影、超聲生物顯微鏡、超聲引導穿刺活檢和關(guān)節(jié)腔注射及超聲靶向破壞技術(shù)。上述多種超聲技術(shù)協(xié)同作用互為補充,形成了綜合性無創(chuàng)的多模態(tài)超聲。它是在常規(guī)二維超聲基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多功能超聲檢測手段,彌補了單一超聲成像模式的不足,為疾病診斷提供更可靠的依據(jù)[4]。本文擬對多模態(tài)超聲在RA 動物模型診療中的應(yīng)用進行綜述,為RA 動物實驗研究提供影像學評估方法。

1 RA 動物模型

RA 動物模型主要有嚙齒類大小鼠、兔類、非人靈長類等。嚙齒類動物模型因遺傳背景穩(wěn)定、成本低、易于處理而被廣泛應(yīng)用[5-6]。RA 模型的制備方法主要有誘導型,轉(zhuǎn)基因型兩類[7]:(1)誘導型關(guān)節(jié)炎包括膠原誘導型關(guān)節(jié)炎(collagen-induced arthritis,CIA)、佐劑誘導型關(guān)節(jié)炎(adjuvant-induced arthritis,AIA)、鏈球菌細胞壁誘導型關(guān)節(jié)炎等[6]。CIA 的病理學及免疫學發(fā)展過程與人RA 相似度高,適用于機制探索,藥物開發(fā)等多方面研究[8];AIA 病理表現(xiàn)與人RA 相似,價格便宜、制作方便、容易成模,但病變具有一定自限性[9],故對同一實驗組前后對照研究評估藥物療效時需將此因素考慮在內(nèi);鏈球菌細胞壁誘導型關(guān)節(jié)炎在觀察急性反應(yīng)方面具有優(yōu)勢,但成本較高,且不能在非人靈長類動物中被誘導,應(yīng)用受限[10]。(2)轉(zhuǎn)基因型RA模型主要有K/BxN 轉(zhuǎn)基因型、人腫瘤壞死因子(TNF)轉(zhuǎn)基因型和白介素-1 缺陷型(IL-1α-/-)等,是研究RA 發(fā)病機制和分子靶向制劑較好的模型。K/BxN 轉(zhuǎn)基因型小鼠模型發(fā)展迅速,可在多種小鼠品系中復制,適合篩選抗關(guān)節(jié)炎藥物及治療新靶點;TNF 轉(zhuǎn)基因型小鼠表型穩(wěn)定,進展相對緩慢,適合TNF-α 等抗體的靶向治療及相關(guān)免疫機制的研究;IL-1α-/-轉(zhuǎn)基因型小鼠主要用于全基因組微陣列分析,研究IL-1β 在類風濕疾病中的作用[5-6]。不同的模型,其發(fā)病機制不同,應(yīng)根據(jù)實際要解決的科學問題選擇合適的模型。

2 多模態(tài)超聲在RA 動物模型診斷中的應(yīng)用

2.1 高頻超聲

RA 模型在炎性早期表現(xiàn)為皮溫升高、關(guān)節(jié)腫脹、活動受限等。其主要病理生理學改變?yōu)殛P(guān)節(jié)內(nèi)滑膜因炎癥細胞浸潤而出現(xiàn)水腫增厚,在炎性因子及滑膜新生血管共同作用下,形成滑膜血管翳,血管翳侵入關(guān)節(jié)周圍骨組織,導致骨表面連續(xù)性中斷、缺損及骨質(zhì)破壞[11]。高頻超聲(常用頻率為15～20 MHz)能實時動態(tài)監(jiān)測病變發(fā)展進程。

超聲波的發(fā)射和接收都是通過超聲探頭來實現(xiàn)的。灰階超聲利用脈沖-回波的原理,以脈沖波的形式進入人體,在聲束路徑上遇見不同聲阻抗的兩個界面會產(chǎn)生反射或散射現(xiàn)象,這樣就有部分超聲能量返回探頭并被接收處理,這部分信號即為回波信號。回波信號由探頭轉(zhuǎn)換為電信號后被超聲儀進行放大、后處理形成不同灰度等級的圖像,即灰階超聲圖像。通過分析圖像可以獲得組織結(jié)構(gòu)與病變信息,因此,灰階超聲可清晰分辨RA 關(guān)節(jié)滑膜組織,關(guān)節(jié)腔積液及骨組織,顯示RA 關(guān)節(jié)病變的形態(tài)學變化。滑膜炎癥表現(xiàn)為關(guān)節(jié)腔內(nèi)增厚的低回聲區(qū),形態(tài)不規(guī)則,探頭加壓不變形;關(guān)節(jié)腔積液表現(xiàn)為不規(guī)則的無回聲區(qū);骨質(zhì)破壞表現(xiàn)為骨皮質(zhì)回聲粗糙,連續(xù)性中斷[12]。于靜等[13]研究顯示高頻超聲診斷滑膜增生和關(guān)節(jié)腔積液較為準確,與MRI診斷結(jié)果符合,具有省時、經(jīng)濟成本低等優(yōu)勢,但對軟骨及骨的觀察尚不滿意。馬茹等[14]研究表明高頻超聲適用于RA 模型滑膜炎的評估,敏感性優(yōu)于足趾厚度檢測及關(guān)節(jié)炎評分。灰階超聲可對RA 模型關(guān)節(jié)病變嚴重程度進行定量評估,為RA 診斷及預后評價提供影像學支持。

多普勒超聲可評估滑膜血流,在評估小動物關(guān)節(jié)疾病中具有重要應(yīng)用價值[14]。用于RA 模型的多普勒超聲檢查技術(shù)包括彩色多普勒血流成像(color doppler flow imaging,CDFI)和能量多普勒成像(power doppler imaging,PDI)。CDFI 利用多普勒頻移原理,基于運動目標顯示器、自相關(guān)技術(shù)、彩色數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換和彩色編碼等過程實現(xiàn)血流的彩色成像,并根據(jù)紅細胞的移動方向、速度及分散情況,調(diào)配紅、綠、藍三基色,改變其亮度,疊加在灰階圖像上顯示。紅色表示血流朝向探頭方向,藍色表示血流背離探頭方向,綠色、五彩鑲嵌表示湍流。顏色亮度與血流速度呈正比,故CDFI 可以反映血流速度和方向的變化,但受檢測靈敏度及角度依賴性的影響,檢測結(jié)果通常會存在較大差異。PDI 提取和顯示能量信號強度,其頻移能量強度取決于取樣中紅細胞相對數(shù)量的多少,故PDI 能夠顯示較完整的血管網(wǎng),特別是對小血管和低速血流更易顯示,且不受角度依賴性的影響,可敏感地反映滑膜內(nèi)新生血管,在評估RA 滑膜炎活動性方面應(yīng)用較多[15-17]。Liu 等[18]在研究中指出PDI 可對滑膜血流進行分級,并量化分析了滑膜新生血管隨時間的變化過程,表明PDI 是監(jiān)測滑膜血管變化的敏感指標,但PDI 只能檢測到直徑大于100 μm 血管內(nèi)的血流信號,對微小血管內(nèi)血流信號的檢出效果并不理想。

此外,灰階超聲和多普勒超聲可分別對滑膜增生、滑膜血供及骨破壞進行評分,即目前臨床應(yīng)用較多的Szkudlarek 評分標準[19]。RA 動物實驗研究中參考Szkudlarek 評分對滑膜血流進行分級:0 分,無血流信號;1 分,少許點狀血流信號;2 分,多發(fā)點狀及條狀血流信號,充盈面積小于滑膜總面積的一半;3 分,樹枝狀、網(wǎng)狀血流信號,走形迂曲,出現(xiàn)融合血流,充盈面積大于滑膜總面積的一半。雖然滑膜血供分級被廣泛借鑒于RA 動物研究中[18,20],但超聲對RA 模型骨破壞評估尚未報道,這可能與動物關(guān)節(jié)小、超聲評估困難有關(guān)。

2.2 超聲造影

超聲波遇見小于入射聲波的界面會發(fā)生散射,散射強弱與散射體大小、形狀及周圍組織的聲阻抗差有關(guān),血液中的有形成分(紅細胞、白細胞及血小板等)聲阻抗差小,散射很微弱,故超聲波通過時,無波反射。超聲造影(contrast-enhanced ultrasound,CEUS)是指人為的在血液中加入聲阻抗值與血液截然不同的介質(zhì)(微氣泡),增強組織血管內(nèi)的散射回聲,提高信噪比,從而更敏感地反映組織微血管的灌注信息[21]。CEUS 常用的造影劑SonoVue,粒徑小、分散均勻,穩(wěn)定性好[22],可以檢測直徑<50 μm的毛細血管,能夠清晰地顯示RA 滑膜血流灌注情況,在早期診斷滑膜炎方面具有良好的臨床應(yīng)用價值。Liu 等[20]研究結(jié)果指出CEUS 評估RA 滑膜新生血管優(yōu)于PDI。CEUS 還可通過機器自帶的后處理軟件,繪制時間-強度曲線,為滑膜灌注提供定量數(shù)據(jù)[2,15]?；こ曉煊翱筛鶕?jù)國際關(guān)節(jié)炎分級標準[23]進行評估:0 級,滑膜無增強;1 級,滑膜輕度增強,增強強度<周圍組織;2 級,滑膜明顯增強,增強強度>周圍組織。

除廣泛用于臨床的SonoVue,實驗中應(yīng)用的超聲造影劑,還包括各種靶向造影劑,即將抗體、多肽等特異性配體連接到微泡上,利用其與炎癥部位相應(yīng)受體的特異性結(jié)合,進行RA 的早期診斷及療效評估等。Zhao 等[24]將血管內(nèi)皮生長因子受體2 抗體與熒光染料cy5.5 整合到微泡上,制備多模態(tài)靶向造影劑,與炎癥病灶中的血管內(nèi)皮生長因子(vascular epithelial growth factor,VEGF)特異性結(jié)合,通過CEUS 及光學成像系統(tǒng)檢測,驗證了VEGF在AIA 大鼠關(guān)節(jié)炎組織中呈高表達,在分子層面上揭示靶病變的炎癥變化。

2.3 超聲生物顯微鏡

盡管高頻超聲在評估RA 模型具有可行性,允許在整個實驗中對同一動物進行對比分析;但由于RA 模型動物通常體型較小,超聲分辨率仍顯不足[17]。超聲生物顯微鏡(ultrasound biomicroscope,UBM)由高頻換能器和高分辨率超聲儀構(gòu)成,工作原理與灰階超聲相似,利用探頭產(chǎn)生40～100 MHz的脈沖,在一定范圍內(nèi)來回作線性掃描,其反向散射返回能量轉(zhuǎn)換為射頻信號,信號按照一定比例被放大、加工、時間增益補償后形成圖像在顯示屏上呈現(xiàn),利用圖像灰度、明暗度代表不同組織結(jié)構(gòu)。其探頭頻率高,分辨力好,故適用于淺表組織成像,臨床常用于眼科病變的檢測[25]。在動物模型中,UBM 最早應(yīng)用于小鼠心臟觀察[26],后續(xù)用于CIA大鼠模型及小鼠結(jié)腸腫瘤的檢測[27]。宋海霞[28]研究顯示UBM 可清晰地顯示增厚的滑膜、新生血管及關(guān)節(jié)腔積液等,是RA 實驗研究理想的影像學方法。馬俊福等[29]用UBM 觀察溫經(jīng)通絡(luò)法對CIA 大鼠療效的影響,并與病理結(jié)果相比較,也證明了UBM 對CIA 大鼠早期診斷、病情監(jiān)測及療效觀察具有較好的應(yīng)用價值。

3 多模態(tài)超聲在RA 動物模型治療中的應(yīng)用

3.1 超聲引導穿刺活檢和關(guān)節(jié)腔注射

以往實驗研究因獲取動物病理標本需要處死動物,而造成實驗過程中模型需求量較大,超聲引導穿刺活檢技術(shù)可以彌補這一缺陷,實現(xiàn)在活體內(nèi)連續(xù)動態(tài)評估RA 病程及干預后療效,并以病理評分作為金標準,與超聲結(jié)果進行相關(guān)性分析,從而驗證超聲評估RA 的可行性和有效性[12,18,20,30]。超聲引導下關(guān)節(jié)腔注射給藥安全性好,利于藥物在局部吸收,減少全身給藥所致的副作用。林嬌嬌等[31]研究表明超聲引導下關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射納米載藥顆粒治療RA,療效好且副作用小,在RA 治療中具有重要價值。超聲引導下關(guān)節(jié)腔注射實現(xiàn)了精準給藥,為實驗研究及臨床治療提供了優(yōu)化方案。

3.2 超聲靶向治療

除用于診斷性研究,微泡還可作為治療劑,在超聲介導的治療中發(fā)揮重要作用[32]。超聲微泡可作為一種良好的遞送載體,保護藥物分子或基因在運輸過程中免受內(nèi)源性清除,將其靶向傳遞到病灶區(qū),借助基于超聲空化效應(yīng)及聲孔效應(yīng)等生物物理學特性的超聲靶向破壞技術(shù)(ultrasound targeted microbubble destruction,UTMD),使其在靶區(qū)受控釋放,并增加血管的通透性,促進藥物進入組織和細胞,提高靶區(qū)的藥物吸收和生物利用度,減少全身副作用[33-35]。張燁[36]研究顯示于大鼠膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射攜氧紫杉醇脂質(zhì)微泡,經(jīng)超聲輻照關(guān)節(jié)(強度2 w/cm2,時間30 s),可較好的靶向破壞載藥微泡,提高病灶區(qū)藥物吸收,減輕CIA 大鼠關(guān)節(jié)炎癥。Zhao等[37]研究指出,與靜脈注射游離甲氨蝶呤(methotrexate,MTX)相比,UTMD 介導的MTX 脂質(zhì)微泡受控釋放可精確影響炎性病灶,顯著提高RA療效。Wang 等[38]證實了UTMD 可促進地塞米松磷酸鈉靶向脂質(zhì)體在RA 協(xié)同治療中的可行性和有效性,指出葉酸偶聯(lián)的地塞米松磷酸鈉靶向脂質(zhì)體局部釋放對CIA 大鼠具有良好的治療效果。動物模型的超聲靶向治療,為臨床使用新型靶向載藥微泡治療RA 提供實驗依據(jù),使超聲靶向治療有望成為RA 新的治療方案。

4 結(jié)語

灰階顯像及多普勒技術(shù),可定性、定量診斷RA,對病情活動性變化進行實時監(jiān)測;超聲造影在檢測RA 早期病變中具有獨特的優(yōu)勢;UBM 則可清晰顯示RA 模型的關(guān)節(jié)病變,適合小型動物及淺表疾病的檢測;靶向微泡的應(yīng)用,實現(xiàn)了在分子影像層面對RA 的診斷,為超聲分子影像早期精準診斷RA 和藥物療效評估奠定基礎(chǔ)。超聲引導穿刺實現(xiàn)了對動物實驗的連續(xù)性觀察,減少動物的損耗,更好的模擬RA 病程;UTMD 實現(xiàn)了靶向控釋給藥,提高局部療效的同時減少全身副作用,為RA 治療的機制研究和療效驗證起到推動和促進作用,為臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。故多模態(tài)超聲在RA 動物實驗中具有便捷、實時監(jiān)測、準確定性及定量等優(yōu)勢,在RA早期診斷、病情監(jiān)測及藥效評價方面意義重大,是RA 動物實驗研究中重要的影像學方法,具有實用價值。